淺埋含煤復合頂板切頂卸壓自動成巷技術研究

弓 飛

（西山煤電（集團）西曲礦，山西 古交 030200）

雖然長壁開采得到了廣泛的推廣和發展，但長壁開采時留設的煤柱造成了極大的資源浪費，同時長壁開采時往往會出現一系列特點：地表出現臺階下沉、工作面礦壓顯現劇烈、基本頂形成不穩定結構等，尤其是在煤炭資源不斷枯竭的今天，提高煤炭資源的回采率、降低煤炭資源的開采成本是各大礦區積極提倡的開采原則，因此大力提倡沿空留巷無煤柱開采技術，對于礦井的高產高效建設具有重要意義。

1 工程背景

哈拉溝礦12201工作面為12號煤二盤區首個總采面。12201綜采面長320m，切眼至停采線長度747m，沿空留巷長 580m，煤厚 1.6～2.4m，平均煤厚1.9m，工作面平均采高2m，回采煤量61萬t，煤層較穩定，北西為設計的12202工作面，其他方向無12煤設計的工作面。煤層直接頂為粉砂巖，厚3.9～0.52m，均厚1.84m；直接頂上部為12上煤層，厚2.75～0.0m，均厚1.56m；12上煤層上部為厚2.14～0.55m、均厚1.35m的泥巖，老頂由均厚為3.34m的細粒砂巖和均厚為4.05m的粉砂巖組成；直接底為粉砂巖，均厚3.67m。具體布置如圖1所示。

2 切頂卸壓自動成巷工藝技術研究

2.1 切頂卸壓自動成巷原理

由于無煤柱開采方法存在著較多的缺陷，所以本文根據頂板垮落規律、長壁開采工作面的礦壓分布規律、布置等提出了新的成巷方法，即基于含煤、淺埋復合頂板下的采場順槽切頂卸壓沿空留巷技術。該技術可以有效的將原有長壁開采一面雙巷開采模式進行改變，在首采面回采巷道完整的前提之下，利用定向預裂切頂技術將前面的巷道當成之后工作面的一個回采巷道。達到單面單巷的開采模式，該模式可以將相鄰工作面媒體上部區域集中的應力進行分散，降低采掘比，增加資源的開采率，同時有效消除留設煤柱產生的瓦斯積聚、沖擊地壓、煤層失火等一系列災害。

2.2 切頂卸壓沿空成巷方法

切頂卸壓沿空留巷是一項新的留巷工藝，也是一項系統工程，由工作面的不斷推進而逐步完成和實現，課題根據切頂卸壓沿空留巷成巷原理，設計了相應的留巷工藝，具體步驟如下：①首采面上下順槽施工；②下順槽工作面側加固錨索及頂板預裂爆破鉆孔施工；③遠程實時監測系統布設；④工作面回采；⑤下順槽頂板預裂爆破定向切縫；⑥老頂來壓，斷裂下沉，自動成巷；⑦下順槽預留作為下一工作面上順槽；⑧預留巷道防漏防火處理；⑨新工作面下順槽施工（同2）；10.3-9 循環。

2.3 切頂卸壓自動成巷設備配套和端頭支護優化研究

12201面切頂卸壓自動成巷技術施工過程中發現端頭支架對頂板錨索、網片破壞嚴重，需對端頭支架進行改造，保護頂板支護不被破壞，進行如下優化：

1）工作面推進到切眼位置時將1#端頭支架回撤；

2）重新加工焊接推拉頭，將2#端頭支架向機尾偏移300mm；

3）將3#端頭支架向機尾偏移1100mm；

4）為了保證順槽錨桿不受回采的破壞，在端頭支架上方焊接加固塊。

2.4 切頂卸壓自動成巷支護設計

隨著12201工作面的不斷推進，對后方采空區的頂板垮落情況及工作面來壓現象進行現場觀測和分析，發現工作面初次來壓后，12201運順懸頂較大、垮落矸石較多，工作面周期來壓后采空區上覆巖層產生的裂縫貫通地表，為此采用下述支護方案：

1）巷旁支護。

為使工作面周期來壓時頂板垮落的巖塊不落入巷道，對支架后的內部運用單體柱+工字鋼+鋼筋網的聯合支護方式進行支護，支護圖見圖3所示。

圖3 支護斷面圖

2）巷內支護。

端頭支架后方15m的區域內，沿巷道軸向方向的單體柱在其柱間采用2.4m長的花邊梁假設在支柱頂部；距離端頭支架15m以外的范圍內，沿巷道斷面布置單體柱，并在單體柱之間假設4.2m長的花邊梁，其布置方式為“一梁四柱”，間排距為1.2m×1m，同時對巷道頂部的較破碎區域進行加強支護；直到工作面推過100后可拆除單體和花邊梁重復使用，如圖3、圖 4。

圖4 支護立面圖

3 切頂卸壓自成巷礦壓顯現規律數值模擬分析

3.1 切頂卸壓自動成巷礦壓顯現特征

為了研究切頂卸壓自動成巷的礦壓規律，分別建立有切縫和無切縫時的數值模型進行模擬，模擬結果如圖5圖、圖6所示。

圖6 有切縫時垂直應力分布圖

圖5 無切縫時垂直應力分布圖

通過對比有、無切縫時的垂直應力的分布規律，得出如下結論：

1）切頂卸壓自動成巷技術能夠有效切斷巷道及采空區頂板之間應力傳播途徑，從而減弱實體煤幫內部應力集中現象，不僅大大降低了應力峰值，而且使得應力集中區遠離巷幫，轉移到實體煤幫深部位置。

2）頂板的切縫具有一定的卸壓作用，能夠降低巷道圍巖內部的應力集中，進而形成一定范圍的卸壓區，使巷道具有一定的穩定性。

3.2 切頂高度對礦壓顯現的影響

切頂高度是指對煤層頂板實施定向切縫后，從巷道頂板平面到切縫向上發育的最大垂直距離。分別模擬切頂高度為4.0m、6.0m、10m時圍巖的應力、位移分布特征，其模擬結果如圖7～圖9所示。

圖7 4.0m切縫垂直應力和垂直位移分布圖

圖8 6.0m切縫垂直應力和垂直位移分布圖

圖9 10m切縫垂直應力和垂直位移分布圖

通過對比上述4m、6m、10m切頂高度的垂直應力和位移分布圖，得出：

1）不同的切頂高度對巷道的卸壓效果具有不同的影響程度，當切頂高度4.0m時，實體煤側的應力集中區距離巷幫約為2.0m；切頂高度為6.0m時，實體煤幫內部應力集中區距巷幫約4.0m，與切頂高度4.0m相比，應力集中向實體煤幫深處轉移較明顯；切頂高度為10m時，實體煤幫內部應力集中區距巷幫約4.0～5.0m，與切頂高度6.0m相比，應力集中位置進一步向深處轉移，但轉移距離較小，即切頂高度越大，應力集中區的位置距離巷幫的距離越大，巷道越穩定；但當切頂高度達到一定的臨界高度時，切頂高度繼續加大后該效果將不再明顯增加。

2）當切頂高度增大時，巷道頂板形成的卸壓區范圍隨著變大，即切頂卸壓對巷道頂板應力的影響范圍與切頂高度成正相關。

3）切頂高度為 4.0m、6.0m、10m時，實體煤幫內部 應 力 集 中 峰 值 分 別 為 3.03MPa、2.71MpPa、2.67MPa，表明切頂高度對應力集中峰值有一定影響，切頂高度越大，應力集中峰值越小，但是其影響程度相對較小。

4）切頂高度為 4.0m、6.0m、10m時，對應的頂板的最大垂直位移分別為100mm、99mm、96mm，即隨著切頂高度的增大，巷道頂板的最大垂直位移不斷變小，表明切頂卸壓能夠有效控制巷道圍巖變形，保證巷道具有一定的穩定性。

4 工程實踐

1）根據礦壓檢測結果，記錄的5個頂板離層最大量的數據中，1號測定大，

為58.4mm，均值為29.9mm，離層不明顯，頂板較為穩定。

2）分析布置的側向壓力監測點的數據后，得出：1#測點側向壓力最大值為2.0MPa，穩定后為1.7 MPa；2#測點側向壓力最大值為0.9MPa，穩定后為0.7 MPa；表明巷道應力集中程度低，圍巖穩定新較好。

5 結論

1）根據切頂卸壓自動成巷的原理及方法，提出了具體的自動成巷支護技術、設備配套及端頭支架優化設計。

2）采用FLAC3D模擬手段對切頂卸壓自動成巷的礦壓顯現規律進行分析，得出該技術能夠有效隔離巷道及采空區之間的應力傳遞，降低其圍巖應力集中程度，使得應力集中區遠離巷道邊緣，向實體煤區轉移；頂板的切縫具有一定的卸壓作用，能夠降低巷道圍巖內部的應力集中，進而形成一定范圍的卸壓區，使巷道具有一定的穩定性。

3）切頂高度越大，巷道頂板卸壓區范圍越大，即切頂卸壓對巷道頂板應力的影響范圍與切頂高度成正相關。

4）對自動成巷過程的礦壓規律進行了監測，得出巷道的離層、側向壓力均處于較小或穩定狀態，驗證了支護效果的可行性及成巷的適用性。